Esfog_UnityShader教程_镜面反射SpecularReflection
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教程引言
本系列教程第四篇，原计划昨日完成，稍作偷懒便推迟至今日。本期将深入探讨镜面反射的基本原理与具体代码。本篇承接上一篇《Esfog_UnityShader教程_漫反射DiffuseReflection》，若您尚未阅读或对漫反射理解不足，建议点击链接查看，这将有助于您更好地理解本篇内容。
镜面反射概述
在上一篇关于漫反射的讲解中，我们提及光照处理中最常见的两个课题：漫反射和镜面反射（高光）。本节将着重介绍镜面反射，并顺带讲解环境光，如此可使渲染效果更为出色。
直观感受
如上图（图片来自网络）所示，漫反射与镜面反射给人的直观感受有所不同。漫反射的效果是，对于物体的某一位置，无论从哪个角度观察，其亮度始终保持一致。而镜面反射则不然，从不同位置观察物体同一点的受光照情况，结果会有差异。这是因为光照反射并非均匀地分布在各个方向，而是与反射光线和视线的偏差大小成反比。当视线与反射光线重合时，看到的亮度最高；若角度大于 90 度，则无法看到高光效果。例如，在阳光下观察表面光滑的汽车，会发现汽车外壳上的高光区域会随观察位置的改变而移动和变化。
计算所需向量
如上图（图片取自《Cg Programming in Unity》），计算镜面反射所需的参数比漫反射更多，一共涉及 4 个向量：光的入射方向 L（反方向，下同）、表面法线 N、观察目标位置到摄像机的向量 V（视线）以及反射光线 R。这里仅考虑平行光的情况，其他类型光源的计算方法有所不同，您可自行了解，本文不再赘述，若后续有相关应用，会具体说明。
计算原理
参考上图，最终决定我们看到的光强的是视线 V 和反射向量 R。这两个向量的夹角越小，意味着光线经物体表面反射后越接近直接进入我们的眼睛（摄像机），其关系类似于上一篇漫反射中入射光线 L 和法线 N 的关系。因此，我们通过公式 V·R = |V||R|cosθ 来计算。从这个公式可以理解，为何在不同位置观察物体同一点的镜面反射结果会不同。虽然仅需两个向量即可确定影响高光的因子，但反射光线 R 需要通过法线 N 和入射光线 L 计算得出。
计算反射光线 R
如图所示（图片取自网友 butwang 博客），我们可先计算一个向量 s，将其乘以 2 得到 2s，再根据向量加法规则 L + 2s = R 计算最终结果。计算向量 s 需利用 L 和 L 在 N 上的投影向量。由于 N·L = |N||L|cosθ，若 N 为单位向量，则 |N| = 1，所以 N·L = |L|cosθ，L 在 N 上的投影距离为 N·L，将结果乘以 N 的单位向量，可得 L 在 N 上的投影向量为 (L·N)N。通过向量减法可计算出 s = (L·N)N - L，进而得出 R = 2s + L = 2((L·N)N - L) + L = 2N(N·L) - L。不过，Cg 已提供 reflect(L, N) 函数来简化这一计算过程，第一个参数为光的真正入射方向（非反方向），第二个参数为法向量。
镜面反射计算公式
《The Cg Tutorial》中给出的镜面反射计算公式如下（经调整后效果相同）：
下面对公式进行解释：Ks 为材质的反射颜色，与上一篇漫反射公式中的 Kd 类似。Kd 通常可设置为贴图颜色，而 Ks 一般不能如此设置。个人理解，Ks 用于设置物体表面受高光时呈现的颜色。若有相应的高光贴图，可利用 Ks 读取贴图颜色，以实现不同位置的不同高光效果；若无高光贴图，默认设置为纯白即可。lightColor 为光源颜色。facing 变量用于处理特殊情况，当计算光照强度时，虽 V 和 R 的夹角小于 90 度，但如果 L 和 N 的夹角大于 90 度，物体实际上不应受该光照影响。因此，若 N 和 L 夹角大于 90 度，facing 为 0，否则为 1。max(V·R, 0) 与上一篇漫反射中的 max(N·L, 0) 类似。指数 shininess 用于调整光泽度，其值越大，物体表面越光泽，亮斑越小越集中；反之则越大越分散，一般设为 10 较为合适。
环境光计算
现实生活中，真实物体除直接接受光源光照外，还会受到周围物体反射光的影响。即使物体未直接受光源照射，也会呈现一定亮度。在渲染中，这些受其他物体反射得到的光统称为环境光。在 Unity 中，场景中所有物体使用相同的环境光，可在 Edit->Render Setting->Ambient Light 中进行设置，通常环境光较弱，只是对真实世界效果的大致模拟。《The Cg Tutorial》中给出的环境光计算公式如下：
其中，Ka 为材质关于环境光的系数，可理解为与漫反射中的 Kd 保持一致，globalAmbient 为我们设置的环境光颜色。
最终，将环境光、漫反射和镜面反射的颜色相加，得到最终的渲染颜色：Color = ambient + diffuse + specular。
具体代码实现
Shader "Esfog/SpecularReflection"
{
Properties
{
_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
_SpecColor("SpecularColor", Color) = (1,1,1,1)
_Shininess("Shininess", Float) = 10
}
SubShader
{
Pass
{
Tags { "RenderType"="Opaque" "LightMode"="ForwardBase"}
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#pragma target 5.0
uniform float4 _LightColor0;
uniform sampler2D _MainTex;
uniform float _Shininess;
uniform float4 _SpecColor;
struct VertexOutput
{
float4 pos:SV_POSITION;
float4 posWorld:TEXCOORD0;
float3 normal:TEXCOORD1;
float2 uv:TEXCOORD2;
};
VertexOutput vert(appdata_base input)
{
VertexOutput o;
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, input.vertex);
o.posWorld = mul(_Object2World, input.vertex);
o.normal = normalize(mul(float4(input.normal, 0.0), _World2Object).xyz);
o.uv = input.texcoord.xy;
return o;
}
float4 frag(VertexOutput input):COLOR
{
float3 normalDir = normalize(input.normal);
float3 viewDir = normalize(float3(_WorldSpaceCameraPos - input.posWorld));
float4 Kd = tex2D(_MainTex, input.uv);
float4 Ks = _SpecColor;
float4 Ka = Kd;
float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
float3 ambientLighting = Ka.rgb * UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;
float3 diffuseReflection = Kd.rgb * _LightColor0.rgb * max(0.0, dot(normalDir, lightDir));
float facing;
if (dot(normalDir, lightDir) <= 0)
{
facing = 0;
}
else
{
facing = 1;
}
float3 SpecularReflection = facing * _LightColor0.rgb * _SpecColor.rgb * pow(max(0, dot(reflect(-lightDir, normalDir), viewDir)), _Shininess);
return float4(ambientLighting + diffuseReflection + SpecularReflection, 1);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Diffuse"
}
代码解释
部分代码与漫反射基本相同，以下仅解释本节新增部分：
- 第 6 - 7 行：在 Properties 中定义了新变量 _Shininess（float 类型）和 _SpecColor（Color 类型）。_Shininess 用于调节物体表面的光泽度，原理前文已解释；_SpecColor 用于调整高光反射颜色，若有高光贴图，可将其改为 2D 类型。
- 第 21 - 22 行：声明后续使用的变量，并与 Properties 中的变量关联。
- 第 26 行：在 VertexOutput 中新增一个变量，用于计算视线向量，因此需知道物体在世界空间中的位置（可在任意空间计算，只要参与计算的两个向量处于同一空间即可）。
- 第 35 行：将模型空间的点左乘 _Object2World 矩阵，转换为世界空间的顶点位置。
- 第 45 - 47 行：分别为漫反射、高光和环境光的反射系数赋值，注意高光与其他两者的区别。
- 第 49 行：利用环境光计算公式计算环境光，其中 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT 是 Unity 提供的用于获取场景中环境光颜色的变量。
- 第 51 - 59 行：计算镜面反射公式中的 facing，原理前文已说明。
- 第 60 行：利用镜面反射公式计算高光颜色。需注意两点：一是给 reflect 函数传入射光时，应传入真正的入射方向，因此需在之前计算的 lightDir 前加负号；二是在 Cg 中通过 pow 函数计算指数，该函数在常见编程语言中均有提供。
- 第 61 行：将计算得到的漫反射、高光和环境光颜色相加，得到最终的渲染颜色。
效果展示与总结
本系列教程第四篇至此结束。结合前一篇内容，我们对最基本的光照模型有了初步了解。下一篇可能会结合漫反射和镜面反射进行实例演示，也可能继续探讨其他相关内容。后续内容可能会涉及更多数学原理和思考方法，Shader 的难点不在于语法，而在于理解背后的原理。深入探索背后的知识，比单纯掌握使用方法收获更大。
继续使用上一篇中的模型展示效果：
- 上图为使用上一篇漫反射的效果。
- 上图为使用本篇 ambient + diffuse + specular 的效果，质感明显提升。若添加高光贴图，效果将更佳。
感谢大家的支持！希望这些内容能给您带来启发。